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Nanopapier und Nanoröhren: Neue Materialien aus Kohlenstoff
Auf der Erde ist Kohlenstoff ein vergleichsweise seltenes Element. In der Liste der häufigsten Elemente der Erde landet er nicht einmal unter den Top-10 sondern taucht erst auf Platz 11 auf. Für uns Menschen ist der Kohlenstoff allerdings enorm wichtig. Im menschlichen Körper ist Kohlenstoff nach Sauerstoff das zweithäufigste Element. Kohlenstoffverbindungen sind die Grundlage des Lebens und die Chemie des Kohlenstoffs heißt nicht umsonst “organische Chemie”.
Außerhalb unseres Körpers treffen wir Kohlenstoff zum Beispiel in seiner kristallinen Form als Diamant oder auch als nicht ganz so wertvollen Graphit. Dieses Mineral steckt als Mine in den Bleistiften. Ganz besondere Eigenschaften hat der Kohlenstoff, wenn er Graphen bildet. Graphen besteht nur aus einer einzigen Schicht von Kohlenstoffatomen, ist also ein “zweidimensionales Material”. Überraschenderweise ist es trotzdem nicht instabil und für die erste erfolgreiche Herstellung von Graphen erhielten die Wissenschaftler Andre Geim und Konstantin Novoselov 2010 den Nobelpreis für Physik. Seitdem finden Forscher immer wieder neue überraschende Einsatzmöglichkeiten für dieses Material. In der Halbleiterelektronik ermöglicht Graphen vielleicht in Zukunft die Datenübertragung mit sehr hoher Geschwindigkeit. Und an der ETH Zürich hat man kürzlich ein spezielles “Papier” aus Graphen entwickelt.
Das Hybrid-Nanokompositpapier aus Proteinfibrillen und Graphen nach der Trocknung durch Vakuumfiltration (Bild: Li et al. / Nature Nanotechnology 2012)
Viel interessanter ist aber eine weitere Eigenschaft des neuen Materials. Es kann die Aktivität von Enzymen messen. Ein Enzym, das auf das Papier aufgebracht wird, baut die Proteinfasern ab. Dadurch verändert sich die Leitfähigkeit des Materials und das kann gemessen werden. Man kann das Papier also in elektronische Schaltkreise einbauen und dann mit diesem Biosensor die Enzymaktivität auf eine ganz neue Art und Weise messen. Die Herstellung funktioniert so ähnlich wie bei echtem Papier. In Wasser gelöste Proteinfäden legen sich an das Graphen und stabilisieren die dünnen Plättchen. Das Nanopapier wird schließlich aus dem Wasser gefiltert und getrocknet. Je nachdem welche Proteine verwendet werden, erhält das fertige Nanopapier unterschiedliche Eigenschaften.
Schon seit 1991 bekannt ist ein anderes außergewöhnliches Material aus Kohlenstoff: Die Kohlenstoffnanoröhren. Das sind röhrenförmige Gebilde aus Kohlenstoff, deren Durchmesser nur einige Nanometer beträgt. Bei einer geringen Dichte haben die Kohlenstoffnanoröhren eine sehr hohe Zugfestigkeit und sind daher ein viel versprechender Werkstoff. Die Röhren können vielleicht irgendwann den Bau eines Weltraumlifts ermöglichen. Um die dafür nötigen hunderte Kilometer langen Kabel herzustellen, benötigt man leichte und zugfeste Materialien wie Kohlenstoff-Nanoröhren. Derzeit kommt das Material aber hauptsächlich als halbleitendes Bauteil in der Elektronik zum Einsatz. Die Röhren werden auch zur Verbesserung der Eigenschaften von Kunststoff verwendet (man hat zum Beispiel Tennisschläger aus einer Kunststoff-Kohlenstoff-Nanoröhren-Mischung hergestellt).
Modell einer Kohlenstoffnanoröhre (Bild: Schwarzm, CC-BY-SA 3.0)
Es wird wohl nicht mehr lange dauern, bis der Kohlenstoff für unsere Industrie genau so wichtig wird wie für unseren Körper…
Tags: ETH | Graphen | Halbleiter | IWS | Kohlenstoff | Kohlenstoffnanoröhren | Nanotechnologie | Protein
Der Hund versteht alles was man sagt! Wirklich?
“Mein Hund versteht jedes Wort, das ich zu ihm sage!” Davon sind die meisten Hundehalter überzeugt. Aber ist das wirklich so? Was passiert im Gehirn eines Hundes, wenn wir mit ihm reden? Versteht er uns tatsächlich? Orientiert er sich an unseren Worten? Am Tonfall? Oder sind es vielleicht die Gesten die wir machen?
Magnetresonaztomograph (Bild: KasugaHuang, CC-BY-SA 3.0)
Glücklicherweise kann Hunden die verschiedensten Dinge beibringen. Der Neurowissenschaftler Gregory Burns von der Emory Universität in den USA sah, wie Hunde in der Armee ausgebildet wurden. Dort lernten sie zum Beispiel, aus einem Hubschrauber zu springen. Wenn Hunde das können, dachte sich Burns, dann kann man sie auch trainieren, ruhig in einem Magnetresonanztomograph zu liegen. Er und seine Kollegen bildeten also zwei Hunde aus. Einen zweijährigen Jagdhund und einen dreijährigen Border Collie. Zuerst wurden den Tieren simple Gesten beigebracht. Ein bestimmtes Handsignal bedeutete, dass der Hund eine Leckerei bekommen würde. Ein anderes Signal zeigte ihm an, dass er jetzt nichts zu Fressen bekommt. Danach wurden die Hunde an den Magnetresonanztomographen gewöhnt. Da das Gerät während des Scans sehr laut ist, mussten die Hunde besondere Ohrenschützer tragen, damit ihr Gehör keinen Schaden nimmt.
Aktivität im Gehirn eines Hundes (Bild: Burns et al 2012, http://ssrn.com/abstract=2047085)
Was die Wissenschaftler und die Hunde ihre Arbeit erledigt haben, zeigt dieses Video der Emory Universität:
Für Gregory Burns sind Hunde ganz besondere Tiere. Sie haben sich zehntausende Jahre gemeinsam mit dem Menschen entwickelt.
“Das Gehirn eines Hundes repräsentiert die spezielle Art, wie Menschen und Hunde zusammen gekommen sind. Es ist sogar möglich, dass Hunde die menschliche Evolution beeinflusst haben. Menschen, die Hunde in ihr Zuhause und ihre Dörfer mitgenommen haben, hatten vielleicht bestimmte Vorteile. So sehr wie wir die Hunde erschaffen haben, haben die Hunde vielleicht auch einen Teil von uns Menschen erschaffen,”
meint Burns und verspricht sich daher sehr viel von der Untersuchung der Gehirnaktivität der Hunde. In Zukunft werden wir vielleicht herausfinden wie uns die Hunde wirklich sehen. Als Freund? Als Dosenöffner? Als komisches, zweibeiniges Mitglied des Rudels? Oder als etwas ganz anderes? Und wir werden wissen, ob der Hund wirklich jedes Wort versteht, das man zu ihm sagt…
Die mechanische CPU-Wanduhr
Computer gehören mittlerweile zu unserem Alltag. Das wichtigste Bauteil jedes Computers ist der Hauptprozessor; die central processing unit oder CPU. Im Elektronikmarkt können wir zwar meistens alle mit den Verkäufern darüber diskutieren, ob nun dieser oder jener Prozessor besser ist. Aber wie so ein Prozessor tatsächlich funktioniert, wissen wohl nicht mehr ganz so viele Menschen. Um das zu ändern kann man sich nun die schöne Uhr von Lior Elazary an die Wand hängen. Sie demonstriert nicht nur die grundlegenden Bauteile eines Prozessors (Arithmetisch-logische Einheit, Register, etc.) sondern zeigt auch noch die Zeit an. Die allerdings ist auf den ersten Blick ein wenig schwer abzulesen – die Stunden werden im Binärsystem angezeigt, die Minuten im Hexadezimalsystem…
Wenn der Fisch leuchtet: Die Auswirkungen der Umweltverschmutzung
“Bitte verlassen sie das Wasser, falls die Fische zu leuchten beginnen!” Hinweisschilder dieser Art wird man an den Badeseen der Welt wahrscheinlich noch länger nicht sehen. Aber Wissenschaftler der Universität Exeter in England haben tatsächlich einen Fisch gezüchtet, der zu fluoreszieren beginnt, wenn er mit Wasser in Kontakt kommt, das durch Chemikalien verschmutzt ist.
Ziel der Arbeit war es allerdings nicht, einen “Signalfisch” zu entwickeln, der uns die Qualität von Badegewässern anzeigt. Das wird man auch in Zukunft sehr viel genauer und einfacher durch diverse chemische Verfahren und Indikatoren machen. Die Wissenschaftler aus Exeter wollten wissen, wie genau bestimmte Stoffe auf Organismen wirken. Im Wasser gibt es ja eine Vielzahl an chemischen Verbindungen, die für Lebewesen – inklusive uns Menschen – schädlich sind. Zum Beispiel sogenannte “Endokrine Disruptoren”. Das klingt gefährlich und ist es auch. Damit bezeichnet man Stoffe, die so wirken wie Hormone. Dadurch können sie den Hormonhaushalt stören. Ein Beispiel ist das berüchtigte Insektenvertilgungsmittel DDT, das heute aber glücklicherweise nicht mehr so häufig eingesetzt wird wie früher. Ganz im Gegensatz zu Weichmachern für PVC, die ebenfalls auf den Hormonhaushalt einwirken können. Am stärksten wirken aber die “Xenoestrogene” aus den Antibabypillen. Die gelangen über den Urin von Frauen, die die Pille nehmen, in die Gewässer und sammeln sich dort in den Fischen. Bei den betroffenen Tieren verkümmern die (männlichen) Geschlechtsorgane und die Qualität der Spermien wird negativ beeinflusst.
Auch bei den Menschen, der das belastete Wasser trinkt oder die belasteten Fische isst, können die endokrinen Disruptoren Probleme verursachen und man vermutet, dass sie hier ebenfalls die Qualität der Spermien beeinflussen, beziehungsweise Krebs auslösen können. Um herauszufinden, was genau passiert, muss man erst einmal besser verstehen, wie die Umweltgifte genau auf die Organismen einwirken. Ein erster Schritt in diese Richtung ist der leuchtende Fisch der Forscher aus Exeter. Sie haben einen Zebrafisch genetisch manipuliert und das sogenannte Grün-Fluoreszierende Protein (GFP) eingebaut. Es stammt ursprünglich aus einer Qualle und wie der Name schon sagt ist es für ein grünliches Leuchten verantwortlich (auch wenn es mittlerweile viele Variationen gibt, die in unterschiedlichen Farben leuchten). GFP ist nicht nur eine Spielerei der Genetiker sondern enorm wichtig für das Verständnis biologischer Vorgänge. Will man herausfinden, wie sich ein bestimmer Stoff im Körper verhält, muss man ihn nur mit GFP verbinden. Das GFP schädigt die Zellen nicht und kann daher als Marker auch bei lebendigen Organismen eingesetzt werden. Man braucht nur das grüne Leuchten zu verfolgen und weiß sofort, was los ist. GFP wurde schon bei vielen Organismen eingesetzt – zum Beispiel bei einem Hund.
Der leuchtende Zebrafisch (Bild: Universität Exeter)
Der leuchtende Zebrafisch erlaubt es den Wissenschaftlern nun, genau zuzusehen, wie die endokrinen Disruptoren wirken. Die Umweltgifte dienen hier als Schalter für das GFP. Ist der Fisch den schädlichen Stoffen ausgesetzt, dann beginnt er zu leuchten. Je nachdem wo sich im Fisch die Chemikalien ausbreiten, leuchtet er an unterschiedlichen Stellen auf. Bei ihren Untersuchungen fanden die Forscher aus Exeter, dass die endokrinen Disruptoren auch auf Körperteile Einfluss haben, von denen man das bisher nicht angenommen hatte. Bei den untersuchten Zebrafischen waren beispielsweise auch Auge und Skelettmuskel betroffen.
Zebrafische sind keine Menschen. Aber die Wissenschaftler sind optimistisch, dass diese Untersuchungen am Ende auch Auskunft darüber geben werden, wie schädlich die Chemikalien im Wasser für uns Menschen sind.
Die Sonnenblume als Vorbild für Solarwärmekraftwerke
Unsere Technik lässt sich gerne durch die Natur inspirieren (zum Beispiel, wenn es darum geht Roboter zu bauen). Das kommt nicht überraschend. Immerhin hatten die Tiere und Pflanzen im Zuge der Evolution hunderte Millionen Jahre Zeit, um eine Aufgabe oder ein “Bauteil” zu optimieren. Wissenschaftler vom Massachusetts Institute of Technology und der RWTH Aachen haben bei ihrer Arbeit diese Optimierungsfähigkeit der Natur entdeckt beziehungsweise ausgenutzt.
Corey J. Noone, Manuel Torrilhon und Alexander Mitsos haben untersucht (“Heliostat field optimization: A new computationally efficient model and biomimetic layout”) wie man die Spiegel eines Solarwärmekraftwerks am besten aufstellt. In so einem Kraftwerk wird Sonnenlicht in Energie umgewandelt. Allerdings nicht über Solarzellen oder Photovoltaikanlagen. Hunderte große Spiegel, die Heliostaten, bündeln das Licht der Sonne auf einen einzelnen Punkt, den sogenannten Absorber. Die dort gesammelte Wärme erzeugt dann Wasserdampf, der eine Turbine antreibt.
Das Solarwärmekraftwerk Solucar PS10 (Bild: Afloresm, CC-BY 2.0)
Bis jetzt existiert erst ein einziges kommerzielles Solarkraftwerk. Es steht in Sanlúcar la Mayor in der Nähe von Sevilla in Andalusien. 624 Spiegel mit einer Fläche von jeweils 120 Quadratmetern fokusieren das Licht der Sonne auf einen Absorber, der sich auf einem 115 Meter hohen Turm befindet. Die Anlage kann maximal 11 Megawatt erzeugen. Wie gut so ein Solarwärmekraftwerk funktioniert hängt natürlich stark davon ab, wie die Spiegel aufgestellt werden. Je näher sie am Turm stehen, desto effektiver kann die Energie transportiert werden. Aber zu nahe aneinander darf man die Spiegel auch nicht aufstellen, denn sonst blockieren sie sich gegenseitig.
Blütenstand einer Sonnenblume (Bild: Asia otus, CC-BY-SA 3.0)
Links: Konventionelle Anordnung der Heliostaten. Rechts: Anordnung basierend auf dem Vorbild der Sonnenblume (Bild: Noone et al., 2012, Solar Energy 86)
Bei ihrer Untersuchung der optimalen Aufstellung der Heliostaten für das Solarwärmekraftwerk in Andalusien sind die Wissenschaftler auch auf den goldenen Schnitt gestoßen und haben herausgefunden, dass sie die Anordnung der Spiegel optimieren können, wenn sie dabei der Anordnung der Blütenstände einer Sonnenblume folgen. Die Effizienz des Kraftwerkes wurde dabei um 0,36 Prozent erhöht, die für die Spiegel benötigte Bodenfläche konnte aber gleich um 15,8 Prozent gesenkt werden! Es lohnt sich also, bei der Natur genau hinzusehen!
In dieser netten Videoserie werden noch einmal genau die mathematischen Zusammenhänge zwischen der Biologie der Pflanzen und dem goldenen Schnitt erklärt:
Der Bau einer Windkraftanlage im Zeitraffer
Im Wind steckt jede Menge Energie. Und da man sich ja nun von der Atomkraft verabschieden möchte, gehört die Windenergie zu den wichtigen Alternativen. Man überlegt zum Beispiel, gigantische Drachen steigen zu lassen, die Energie liefern. Die schnellen Höhenwinde, die ein paar hundert Kilometer über dem Erdboden herrschen, haben sich dagegen als ungeeignete Energiequelle heraus gestellt. Vorerst wird die Energie des Windes wohl weiter über Windräder gewonnen werden. Es werden jede Menge neue Anlagen gebaut werden müssen. Wie das aussieht zeigt ein Zeitraffervideo aus Amerika. Dort hat Puget Sound Energy, ein Energielieferant aus dem Nordwesten der USA, gerade die Lower Snake River Wind-Anlage gebaut. 149 Windräder erzeugen insgesamt 343 Megawatt an Energie:
Envisat: Das plötzliche Ende eines Satelliten
Noch im März hatte man das 10jährige Jubiläum gefeiert. Jetzt ist er plötzlich ausgefallen. Der Satellit “Envisat” ist am 1. März 2002 an Bord einer Ariane-5-Rakete ins Weltall geflogen. Zum damaligen Zeitpunkt war es das schwerste Objekt, das die Europäische Weltraumagentur ESA je ins All gebracht hat. Envisat wog mehr als acht Tonnen und war 26 Meter lang. In einer Höhe von 800 Kilometer beobachtete Envisat die Erde und lieferte wichtige Informationen. Envisat hatte eine Vielzahl von Instrumenten an Bord: Ein Radarhöhenmesser, der ein exaktes Höhenprofil erstellen und die Beschaffenheit der Erdoberfläche erkennen konnte. Ein Mikrowellen-Radiometer, das die Luftfeuchtigkeit der Atmosphäre bestimmt. Ein Gerät, um die Temperatur der Erdoberfläche auf wenige Zehntelgrad genau zu bestimmen. Ein Spektrometer, mit dem sich die Ozeane untersuchen lassen. Ein Meßgerät zur Analyse der Atmosphäre und zur Bestimmung ihres Ozongehalts. Ein Interferometer zur Untersuchung der Spurengase in der Atmosphäre. Und so weiter. Envisat war einer der wichtigsten Erdbeobachtungssatelliten. Auch einer der teuersten – er kostete 2,3 Milliarden Euro. Aber er war äußerst erfolgreich. Ausgelegt für eine Missionsdauer von 5 Jahren war er auch nach der doppelten Zeit noch aktiv und im All. Kein Wunder, dass man am 1. März mit Begeisterung das 10jährige Jubiläum feierte.
Aber am 8. April 2012 brach der Kontakt mit dem Satelliten plötzlich ab. Eine Bodenstation des Europäischen Satellitenkontrollzentrums ESOC in Schweden wollte routinemäßig die neuesten Daten von Envisat aus dem All empfangen. Aber da war nichts. Envisat meldete sich nicht und konnte auch nicht von der Erde aus erreicht werden. Zuerst dachte man, dass der Satellit eventuell Opfer des Weltraummülls geworden war. Im Orbit um die Erde findet man mittlerweile jede Menge Schrott, und es kann durchaus vorkommen, dass zwei Objekte kollidieren. Am 10. Februar 2009 stieß beispielsweise ein noch funktionstüchtiger Iridium-Satellit mit einem ausrangierten russischen Kommunikationssatelliten zusammen. Beide wurden dabei zerstört.
Envisat ist allerdings recht groß und um ihn bei einer Kollision zu zerstören müsste auch das andere Objekt relativ groß gewesen sein. Das hätte man eigentlich bemerken müssen, denn die großen Schrottteile im All werden von der Erde aus überwacht. Zum Beispiel vom amerikanischen Space Surveillance System, das mit zwei Dutzend Teleskopen über 13.000 Weltraumtrümmer verfolgt. Wenn eines davon auf Kollisionskurs mit Envisat gewesen wäre, hätte man es gewußt und die Bahn des Satelliten korrigieren können, um der Kollision auszuweichen.
Auch am Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik (FHR) in Wachtberg verfolgt man den Weltraummüll. Hier wird eine Großradaranlage mit dem Namen TIRA (“Tracking and Imaging Radar”) betrieben. Damit lässt sich Weltraummüll nicht nur beobachten, sondern man kann auch Radarbilder von Satelliten machen. Das FHR hat Envisat gefunden und der Satellit sieht eigentlich noch ziemlich gut aus:
Envisat, gesehen mit dem TIRA-Radar des Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik (Bild: FHR)
Das bestätigen auch andere Aufnahmen, die vom französischen Satelliten Pléiades 1A gemacht wurden und der zufällig gerade in der Nähe von Envisat vorbei flog. Envisat scheint äußerlich noch völlig intakt zu sein; eine Kollision mit Weltraummüll ist unwahrscheinlich, insbesondere was große Schrottteile betrifft. Vielleicht war es auch nur ein ganz kleines Trümmerteil oder ein Mikrometeorit, der eine kritische Stelle des Satelliten getroffen hat. Solche kleinen Beschädigungen kann man von der Erde aus nicht erkennen. Die Zukunft sieht nicht gut aus für Envisat. Am ESOC hat man lange versucht, auf verschiedenste Art mit dem Satelliten Kontakt aufzunehmen – immer erfolglos.
Vom größten Erdbeobachtungssatelliten ist Envisat nun offensichtlich über Nacht selbst zu einem riesigen Stück Weltraummüll geworden. Er fliegt hoch genug, um in naher Zukunft der Erde nicht gefährlich zu werden. Frühestens in 100 Jahren wird sich seine Flughöhge so stark verringert haben, dass mit einem Absturz auf der Erde zu rechnen ist. Für die Wissenschaft ist der Verlust von Envisat tragisch. Während seiner knapp 50.000 Erdumrundungen hat er eine Unmenge an Daten gesammelt, die von 4.000 Forschungsprojekten in 70 Ländern genutzt wurden. Forschung, die durchaus für uns alle relevant ist. Die Daten von Envisat konnten beispielsweise zeigen, dass der internationale Schiffsverkehr mehr Schadstoffe produziert als sämtliche Flugzeuge auf der ganzen Welt. Ersatz für den Satelliten wird es so schnell nicht geben. Erst für nächstes Jahr ist der Start des ersten Satelliten der Sentinel-Flotte geplant. Insgesamt besteht das neue Global Monitoring for Environment and Security (GMES) Programm der ESA allerdings aus 5 Satelliten, von denen der letzte erst 2020 ins All gestartet wird. Bis dahin wird Envisat eine große Lücke bei der Erdbeobachtung hinterlassen…
Laser sei Dank: Wie man Sprengstoff aus der Entfernung identifiziert
Sprengstoff ist eine unangenehme Sache. Besonders dann, wenn man gar nicht weiß, ob man es tatsächlich mit Sprengstoff zu tun hat oder nicht. Ist der Koffer, der da am Bahnsteig herumsteht einfach nur ein vergessenes Gepäckstück? Oder eine hinterhältige Sprengfalle, die sofort hochgeht wenn jemand sie anrührt? Sprengstoffspezialisten riskieren immer wieder ihr Leben, wenn sie solche Behältnisse untersuchen, um herauszufinden ob und welche gefährlichen Substanzen sich darin befinden. Eine neue Entwicklung von Forschern der Technischen Universität in Wien könnte ihnen das Leben nun etwas leichter machen.
Nur ein alter Koffer? Oder doch eine Bombe? (Bild: mattbuck, CC-BY-SA 3.0)
Professor Bernhard Lendl vom Institut für Chemische Technologien und Analytik und sein Team haben herausgefunden wie man chemische Substanzen aus einer Entfernung von bis zu hundert Metern analysieren kann. Dazu bedienen sie sich einer speziellen Methode, der sogenannten Raman-Spektroskopie. Hier wird ein Stoff mit monochromen Laserlicht bestrahlt. Dadurch kann Energie von den Photonen des Lasers auf die Moleküle übertragen werden. Das verändert die Art und Weise wie die Moleküle rotieren und schwingen. Weil das Licht Energie abgegeben hat, ändert sich nach der Streuung an den Molekülen seine Farbe. Und da die verschiedenen chemischen Elemente ganz unterschiedlich auf die Anregung durch das Laserlicht reagieren, unterscheidet sich auch das gestreute Licht je nachdem, welches Material man damit bestrahlt.
Dieser Raman-Effekt ist schon lange bekannt. 1928 konnte ihn der indischen Physiker Chandrasekhara Venkata Raman nachweisen. 1930 bekam er dafür den Nobelpreis. Seitdem wurde der Effekt in der Chemie und Physik vielfach verwendet. Mit der Raman-Spektroskopie lassen sich viele unterschiedliche chemische Stoffe identifizieren und analysieren. Das Problem ist dabei, dass das reflektierte Licht enorm schwach ist. Deswegen war es bisher auch immer nötig, die Probe aus unmittelbarer Nähe zu untersuchen – also etwas, das man beim Sprengstoff gern vermeiden möchte.
Bernhard Lendl und sein Team haben nun extrem hochempfindliche Licht-Sensoren mit einem starken Teleskop kombiniert und konnten so das von der Probe reflektierte Laserlicht auch noch in hundert Metern Entfernung detektieren. Und zwar so genau, dass die verschiedenen Stoffe immer noch identifieziert werden konnten. Man kann nicht nur herausfinden, ob eine Probe Sprengstoff enthält, sondern auch, um welche Art es sich handelt. Das Ganze funktioniert sogar, wenn der Sprengstoff verpackt ist. Denn das Laserlicht dringt auch ein wenig in das Innere des Behälters ein. Man bekommt dann zwar reflektiertes Licht von der Probe und dem Material aus dem der Behälter besteht. Aber auch hier haben die Wissenschaftler von der TU Wien eine Lösung gefunden. Der Laser ist stark fokusiert und der Bereich, in dem er auf den Behälter trifft, ist winzig. Wenn der Strahl die Wand durchdrungen hat, verbreitert er sich aber stark und der Bereich, in dem er auf die Probe dringt, ist wesentlich größer. Das reflektierte Licht vom Behälter kommt also nur aus einer kleinen Region während das reflektierte Licht der Probe aus einer viel größeren kommt. Richtet man nun den Lichtdetektor nicht direkt auf die Stelle, an der der Laser auf den Behälter trifft sondern etwas daneben, dann fängt man nur das reflektiere Licht der Probe auf.
Das Raman-Spektrometer sendet einen Laserstrahl aus, das vom untersuchten Objekt gestreute Licht wird durch einen Spiegel (links) fokussiert (Bild: TU Wien)
Kein Wunder, dass sich Militär, Sicherheits- und Zivilschutzeinrichtungen für diese Technik interessieren. Anstatt gefährliche Analysen in unmittelbarer Nähe durchführen zu müssen, reicht es vielleicht in Zukunft ein Gerät aus hundert Meter Entfernung auf ein Objekt zu richten, um herauszufinden, ob es gefährlich ist oder nicht. Aber nicht nur Sicherheitskontrollen könnten demnächst mit dieser Technik vereinfacht werden. Denn natürlich funktioniert die Methode nicht nur bei Sprengstoff sondern auch bei anderen chemischen Verbindungen. Geologen, Chemiker, Physiker, Biologen: Ihnen allen würden jede Menge Anwendungen für ein Gerät einfallen, mit dem sich aus der Entfernung die chemische Zusammensetzung eines Materials bestimmen lässt. Und wer weiß – vielleicht führt die zunehmende Miniaturisierung dazu, dass wir irgendwann in der Zukunft alle so ein Analysegerät in unser Handy eingebaut haben. Der Tricorder aus Star Trek lässt grüssen ;)
Das Bakterium und die Kartoffel
Wenn es um unser Essen geht, dann wollen wir mit Bakterien und anderen Mikroorganismen nichts zu tun haben. Unser Essen haben wir gerne möglichst keimfrei; höchsten im Jogurt dulden wir ein paar Mikroben und auch nur dann, wenn uns die Werbung von deren medizinischer Nützlichkeit überzeugt hat. Dabei spielen die Mikroorganismen durchaus eine wichtige Rolle. Nicht unbedingt auf dem Essen. Dafür aber im Boden, auf dem die Pflanzen wachsen, die später auf unserem Teller landen.
Kartoffeln gibt es in den verschiedensten Sorten (Bild: United States Department of Agriculture)
Der Boden ist voll mit den verschiedensten Mikroorganismen und sie können der Pflanze schaden oder nützen. Pathogene Mikroben können Pflanzen genau so krank machen wie uns Menschen. Sie können der Pflanze aber auch nützen. Sie können sie vor schädlichen Organismen beschützen. Ihr Stoffwechsel kann dafür sorgen, dass der Boden mit Nährstoffen angereichert wird, die das Wachstum verbessern. Das erhöht den Ertrag bei der Ernte und spart den Einsatz von Düngemittel und Schädlingsbekämpfungsmitteln. Ein internationales Forschungsprojekt hat sich nun der speziellen Wechselwirkung zwischen Mikroorganismen und der Kartoffel zugewandt. Bei “VALORAM (Valorizing Andean microbial diversity through sustainable intensification of potato-based farming systems)” versucht man, das Zusammenspiel zwischen Kartoffelpflanze und Mikroorganismen zu optimieren.
Man hat sich für das Projekt die südamerikanischen Anden ausgesucht. Diese Gegend ist der Ursprungsort der Kartoffel. Auch wenn sie heute zum Standardgemüse der deutschen Küche gehört und auch im Rest der Welt überall gegessen wird, hat sie den Weg nach Europa erst im 16. Jahrhundert gefunden. Davor hat sie sich 13000 Jahre in Südamerika entwickelt. Dort wachsen heute bis zu 3800 verschiedene Sorten. Es war genug Zeit für eine gemeinsame Evolution von Kartoffelpflanze und Mikroorganismen im Boden. Die Forscher vermuten daher, dass sich in den Anden besonders viele Mikroorganismen finden, die sich positiv auf die Kartoffelpflanze auswirken. Kartoffeln und Bakterien sollten sich einander optimal angepasst haben.
Hinzu kommt, dass in den Anden der Konsum von Kartoffeln immer weiter steigt, da die Bevölkerung wächst. Damit steigen die Getreidepreise und die Kartoffel gewinnt an Bedeutung und damit auch die Frage, wie man den Ertrag der vorhandenen Anbauflächen steigern kann. Und das möglichst ohne den verstärkten Einsatz von Dünger und chemischen Schädlingsbekämpfungsmitteln. Und ohne dabei den Boden noch stärker auszulaugen. Darum haben sich verschiedene Forschungseinrichtungen in Europa (darunter die Ludwig-Maximilians-Universität in München und das Austrian Institute of Technology) mit südamerikanischen Wissenschaftlern (zum Beispiel vom “International Potato Center” in Peru) zusammengetan. Gemeinsam wollen sie einerseits die genetischen Eigenschaften der verschiedenen Mikroorganismen untersuchen, andererseits aber auch direkt in den Anden Feldversuche durchführen.
In den Anden wird noch auf über 3000 Metern Landwirtschaft betrieben. Zum Beispiel hier bei Cabanaconde in Peru (Bild: Pethrus, CC-BY-SA 3.0)
Momentan kann man dort pro Hektar zwischen 5 und 20 Tonnen Kartoffeln ernten. Am Ende des Projekts will man die Wechselwirkung zwischen Boden, Mikroben und Pflanze so gut verstehen, dass der Ertrag deutlich gesteigert werden kann. Seit dem Start von VALORAM im Jahr 2009 hat man schon über 1300 Bakterien für die Studie ausgewählt. Man hat neue Methoden entwickelt, um diese Bakterien zu konservieren, ohne sie zu zerstören. Über 1000 Bakterien wurden einer metagenomischen Analyse unterzogen. Bei diesem relativ neuen Forschungsgebiet wird nicht nur das Genom des Bakteriums selbst untersucht, sondern die genetischen Eigenschaften des gesamten Biotops. Mittlerweile hat man schon eine vorläufige Liste an Mikroorganismen erstellt, die sich besonders positiv auf das Wachstum der Pflanzen auswirken und ihr Krankheitsrisiko vermindern. Das Projekt soll auf jeden Fall noch bis zum Jahr 2014 laufen. Am Ende wird man hoffentlich nicht nur das Agrarwesen in den Anden verbessert haben. Auch die Landwirtschaft in Europa kann von den Ergebnissen des Projekts profitieren und nachhaltiger werden.
Bäume erkennen: Aus dem All und mit dem Computer
Der Wald ist voller Bäume, soviel ist klar. Aber wie viele stehen dort wirklich? Und wie hoch sind sie? Diese Fragen zu beantworten ist nicht leicht. Man kann ja nur schwer den ganzen Wald abgehen und bei jedem einzelnen Baum messen, wie hoch er ist. Aber es wäre wichtig, darüber Bescheid zu wissen. Wälder sind ein großer CO2-Speicher und eine wesentliche Rohstoff-Ressource. Hier hilft – vielleicht ein wenig überraschend – die Raumfahrt weiter.
Wenn man einen Schritt zurück tritt, sieht man oft mehr. Und wenn man ein paar Hunderttausend Schritte zurück tritt, sieht man fast die ganze Erde. Erdbeobachtungssatelliten finden oft erstaunliche Anwendungen. Sie werden nicht nur für den Wetterbericht benutzt, sondern zum Beispiel auch, um Bio-Lebensmittel zu zertifizieren. Und auch wenn es darum geht, mehr über Wälder und die Höhe der Bäume heraus zu finden, leisten die Satelliten gute Dienste.
Mit der sogenannten “Pol-InSAR”-Technik kann man die Wälder aus dem All beobachten. Die Abkürzung steht für “polarimetric information in Synthetic Aperture Radar”. Im Wesentlichen geht es dabei um Radarstrahlen, die der Satellit zur Erde schickt. Dort werden sie reflektiert, und der Satellit beobachtet, wie sie dabei gestreut werden. Der Trick dabei ist die Verwendung von polarisierter Strahlung. Polarisierte, elektromagnetische Wellen schwingen nur in eine spezielle Richtung. Wenn diese polarisierte Radarstrahlung auf den Erdboden trifft, dann hängt es von den lokalen Gegebenheiten ab, wie genau sie reflektiert und gestreut wird. Eine genaue Analyse der Radarwellen erlaubt es den Wissenschaftlern dann, Informationen über die Wälder zu gewinnen. Hier ist ein Beispiel:
Bild: DLR
Das Bild zeigt den Wald im oberbayrischen Traunstein. Die farbigen Bilder rechts und in der Mitte wurden 2008 und 2003 aufgenommen. Die Farben zeigen die Höhe der Bäume an und die Unterschiede sind deutlich zu erkennen. Das grüne Rechteck oben im Bild zeigt, dass viele der sehr hohen Bäume (die roten und orangen Punkte) die 2003 (im mittleren Bild) noch zu sehen sind, später gefällt wurden. Das orangene Rechteck zeigt einen Bereich an, in dem zwischen 2003 und 2008 große Teile des Waldes komplett verschwunden sind. Grund dafür war der Orkan Kyrill, der 2007 mit bis zu 225 Kilometern pro Stunde über Europa fegte. Der weiße Kreis zeigt eine Region, in der der Wald gewachsen ist.
Mit Satellitenbildern dieser Art lässt sich ein großräumiger Überblick über die Veränderungen in den Wäldern unserer Erde erhalten. Wer die Bäume im Detail verstehen will, muss sich aber weiterhin in den Wald begeben und sie dort direkt studieren. Dabei können Computer helfen – aber Menschen sind ihnen in bestimmten Bereichen immer noch überlegen. Die Technische Universität Wien hat gemeinsam mit den Österreichischen Bundesforsten das Computerprogramm “Deep Green” entwickelt. Eigentlich sollte daraus eine Smartphone-App werden, um Bäume zu erkennen. Einfach mit dem Handy ein Blatt oder ein Stück Rinde fotografieren und das Programm liefert sofort den Namen des Baums und alle relevanten Informationen. So war zumindest der Plan.
Aber auch nach langen Testphasen war “Deep Green” nicht in der Lage, die Bäume exakt zu erkennen. Förster und Biologen konnten das Programm immer schlagen (hier kann jeder selbst seine Fähigkeiten im Duell mit Deep Green testen). In der Natur sind die Blätter eben nicht genormt und variieren stark. Wir Menschen sind bei dieser Art der Mustererkennung besser als Computerprogramme, auch, weil wir viele zusätzliche Informationen aufnehmen (zum Beispiel die Beschaffenheit des Bodens, auf dem der Baum wächst) und in unser Urteil mit einbeziehen können.
Wenn es darum geht, Bäume zu bestimmen, sollten wir uns also auf unsere Kenntnisse der Botanik und unser eigenes Urteil verlassen. Es sei denn natürlich, man befindet sich in Wien. Dort sind alle Bäume sorgfältig im Wiener Baumkataster verzeichnet. Jeder Baum hat seine Nummer und ist in einer Karte eingetragen. Ein Klick auf den Baum liefert sofort Daten zu Höhe, Umfang, Art und Jahr der Pflanzung.
Wiener Baumdatenbank (Screenshot)
Ob man nun aber die Bäume wissenschaftlich vom Weltall aus erforscht, mit dem Computer ihre Art bestimmt oder den Wald einfach nur genießt: der kommende Sommer bietet für alles ausreichend Gelegenheit.
